基于A(yíng)RM和GPS的數據采集模塊的設計

發(fā)布時(shí)間:2010-4-28 14:51    發(fā)布者:諸葛孔明
關(guān)鍵詞: arm , GPS , 數據采集
1 引言

數據采集記錄儀在工業(yè)控制領(lǐng)域中有著(zhù)十分重要的意義。在許多工業(yè)場(chǎng)合。尤其是對于一些分散的、無(wú)人值守的現場(chǎng).需要對數據進(jìn)行定時(shí)采集以便及時(shí)了解現場(chǎng)的情況.并根據情況發(fā)送控制命令。以前這些系統大多采用普通的單片機來(lái)實(shí)現.其缺陷是明顯的.如系統資源短缺、指令不夠精簡(jiǎn)、CPU操作頻率低等,大大地限制了其使用場(chǎng)合,F在廣泛使用的是ARM和PC機通過(guò)串行口構成的多微機監測系統.但仍存在問(wèn)題,比如多儀器問(wèn)的精確同步。

本文提出了一種基于A(yíng)RM和GPS(Global Positioning System)的數據采集記錄儀,并結合uC/OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統來(lái)實(shí)現。該系統具有良好的環(huán)境適應性、多儀器間的精確同步性、人機交互性、穩定性、高效性,很適合運用于電化學(xué)實(shí)驗、腐蝕測量工程等領(lǐng)域。

2 系統總體結構設計

本數據采集記錄儀主要包括兩大部分:數據采集與數據存儲傳輸。本文主要介紹數據采集模塊的設計與實(shí)現。整個(gè)系統的系統功能模塊如圖1所示。

該系統要求采集4路電壓通路.采集時(shí)間為100ms~255h.并連續記錄ON、OFF電位至少24小時(shí)(不需要記錄整個(gè)波形):同時(shí)由于本數據采集記錄儀是一個(gè)多儀器系統,要求所有儀器都能夠精確同步。因此.該系統要求每分鐘,秒鐘記錄一次測試時(shí)間(GPS時(shí)間)。并將此時(shí)間與其它儀器記錄時(shí)間相比。其它儀器記錄時(shí)間用GPS同步。同時(shí),該系統要求支持本地數據存儲和u盤(pán)數據保存功能.且u盤(pán)數據保存的可存儲容量取決于u盤(pán)的整體容量:該系統支持多種數據通訊功能。如Zigbee通訊、SPI總線(xiàn)接口通訊、I2C總線(xiàn)接口通訊、UART異步串行通訊。


圖1 數據采集記錄儀的功能模塊圖

結合圖1,可得整個(gè)系統的實(shí)現方案.如下:
1)與硬件平臺相關(guān)的軟件部分分析與實(shí)現,并編寫(xiě)相應的底層函數:
2)進(jìn)行uC/OS—II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統在LPC2220微處理器的移植:
3)系統各功能模塊的分析與實(shí)現:
4)系統調試及改進(jìn)。

該系統采用uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統作為中問(wèn)件,并將與硬件平臺相關(guān)的部分與相應功能模塊的實(shí)現隔離開(kāi)來(lái),盡可能地實(shí)現硬件與軟件分開(kāi).這樣方便進(jìn)行系統設計。uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)內核,其允許建立多達63個(gè)用戶(hù)任務(wù).并根據程序建立和運行的情況.決定在什么時(shí)候從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)。同時(shí)。任務(wù)的優(yōu)先級也是uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統必須得到的信息之一。具體的任務(wù)劃分如圖2所示:


圖2 系統任務(wù)劃分圖

3 數據采集模塊原理與底層設計

3.1 采集信號分析

由于本數據采集記錄儀主要應用于電化學(xué)實(shí)驗及腐蝕測量工程中.其對信號采集與記錄上有較高的要求.如下:

1) 3路直流0~±2.5V。14~16bit,分辨值0.1mV;
2) 1路交流0~±40v 14~16bit,分辨值0.1mV,自動(dòng)檔量程預選;
3) 4路通用10位AD.范圍0~5v(預留)。

信號的采集過(guò)程為:首先采集并存儲128個(gè)信號采樣點(diǎn),計算并存儲此128個(gè)信號采樣點(diǎn)中8個(gè)連續數據點(diǎn)的“斜率”。8個(gè)連續數據點(diǎn)的“斜率”計算算法為:首先每2個(gè)連續數據點(diǎn)計算一次斜率K1=(Y1-Y2)/(X1-X2).一次循環(huán)后得到4個(gè)斜率.對4個(gè)斜率取平均值并將此作為8個(gè)連續數據點(diǎn)的“斜率”。然后對前后一段時(shí)間的斜率的大小與走勢進(jìn)行比較.并根據相應的閾值來(lái)確定ON/OFF電位的位置。

3.2 數據采集

由于LPC2220內部提供一個(gè)8路10位A/D轉換器.且轉換時(shí)間低至2.44us捕足該系統對信號采集的基本要求。因此在進(jìn)行數據采集的時(shí)候.就直接利用其內部提供的A/D轉換器。LPC2220擁有一個(gè)10位8路A/D轉換器.A/D轉換器的基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘提供.每個(gè)轉換器包含一個(gè)可編程分頻器,可將時(shí)鐘調整至逐次逼迫轉換所需的4.5MHz(最大)。完全滿(mǎn)足精度要求的轉換需要11個(gè)轉換時(shí)鐘。

此MD轉換器的主要特性如下:

* 1個(gè)10位逐次逼近式模數轉換器:
* 具有掉電模式:
* 10位轉換時(shí)間小于2.44μs;
* 一個(gè)或多個(gè)輸入的Burst轉換模式:

啟動(dòng)A/D轉換器的方式非常靈活.既可以單路軟件啟動(dòng),也可以設置為BURST模式對幾路信號逐個(gè)循環(huán)采樣。與其他LPC2000系列單片機相比.LPC2220增加了獨立的基準電壓源引腳.這對提高轉換精度很有利。

由于被采集信號相對較復雜,且在ON/OFF電位處可能有較大的紋波,而實(shí)驗證明最大程度的硬件濾波也無(wú)法達到非常理想的要求,因此必須使用軟件濾波來(lái)減少紋波對信號采樣的影響.具體濾波方法主要有中值/中值平均濾波法、限幅,限幅平均濾波法、算術(shù)/算術(shù)平均濾波法、消抖,消抖平均濾波法、加權遞推,加權遞推平均濾波法等。該系統主要采用中值平均濾波法與算術(shù)平均濾波法相結合的方法。

與數據采集有關(guān)的函數調用如下:

void ADInit(uint8 channel)  //ADC初始化
uint32 ADRead(uint8 channel)  //切換到ADC的任何一個(gè)通道并讀取轉換數據
void ADProcessfuint8*data)   //數據處理與ON/OFF電位確定

數據采集模塊基本流程圖如圖3所示。


圖3 數據采集模塊基本流秤圖

3.3 數據采集模塊測試

將系統數據采集模塊輸入端連接到現場(chǎng)傳感器數據輸出端.并結合ADSI.2中的AXD調試環(huán)境針對用戶(hù)的相應操作對整個(gè)系統進(jìn)行調試。測試結果如下:

1) 單通道數據采集測試結果及分析:?jiǎn)瓮ǖ罃祿杉Y果1如圖4(a),ON電位為-0559.0mV,OFF電位為-0594.OmV,測量長(cháng)度為00000000.4 S。數據采集結果2如圖4(b)。上一次ON電位為-0589.0mV.OFF電位為-0584.0mv:當前ON電位為-0492.2mV.OFF電位為-0492.4mV.測量長(cháng)度為00013467.8m。測試結果符合信號要求。

2) 四通道數據采集測試結果及分析:四通道數據采集如圖5所示通道1數據為--0848inV.通道2數據為--0726mV,通道3數據-0023mV.通道4數據為-0152mv測量長(cháng)度為147879221m。四個(gè)通道數據都正常.偏離實(shí)際信號數據在誤差范圍內。


圖4 單通道數據采集結果


圖5 四通道數據采集結果

4 結束語(yǔ)

本數據采集記錄儀在LPC2220微控制器的硬件系統支持下.結合uC/OS一Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統和GPS全球定位系統實(shí)現對工業(yè)信號進(jìn)行采集、記錄、傳輸(無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn))、顯示等功能。并具有以下創(chuàng )新點(diǎn):

1)結合uCOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行系統設計.可以更大程度地提高系統的穩定性、高效性、智能性及降低系統開(kāi)發(fā)的難度:

2)采用GPS全球定位系統技術(shù)輔助系統功能設計.可以實(shí)現各子系統間的精確同步,保證系統的穩定性;

3)提供多種形式的數據存儲與轉存接口;

4)提供Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊,可以多系統組網(wǎng),相互協(xié)調運作。

本文重點(diǎn)介紹的數據采集模塊是整個(gè)數據記錄儀的重要組成部分,具有高效性、高速性、實(shí)時(shí)性、智能性,精確同步性等特點(diǎn)。


作者:陳華麗,馮知凡      來(lái)源:《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第6-2期
本文地址:http://selenalain.com/thread-10884-1-1.html     【打印本頁(yè)】

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